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Genética Humana Responsável pelo Conteúdo: Prof. Leonardo Martins Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade • Informar acerca dos conceitos em Genética de População, Epigenética e aplicações da Gené- tica na atualidade; OBJETIVO DE APRENDIZADO • Genética de Populações; • Aplicações Atuais em Genética Humana e Engenharia Genética. UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade Genética de Populações Qualquer que seja a pergunta a respeito da herança genética, ela se concentra em famílias e/ou indivíduos que as compõem. Isso não é, de forma alguma, algo surpreendente, vez que a Genética Médica e a Biomédica se debruça extensivamente nesses casos, normalmente, iniciando suas inves- tigações por meio de um único indivíduo. Em geral, esse indivíduo em particular é chamado de probando. Os históricos fami- liares nos oferecem informações a respeito da herança genética presente em uma dada família e como isso afeta (ou não) os indivíduos que a compõem. Nas Unidades anteriores, você já viu como uma dada informação genética pode ser transmitida ao longo das gerações. Viu, também, que há distintos padrões de herança e múltiplas perspectivas. No entanto, analisar um grande volume de dados genealógicos, riquíssimo em infor- mações, é diferente de analisar um grupo familiar pequeno. Isso se dá pelo motivo de que um grupo pequeno de genealogias, ou até mesmo o estudo de uma única família, não suporta dados seguros sobre penetrância ou expres- sividade de uma dada característica. Quando falamos em penetrância, estamos dizendo a respeito da porcentagem de in- divíduos de uma dada população que possui determinado genótipo e, portanto, expressa um dado fenótipo associado a esse genótipo. Essa penetrância pode ser do tipo completa, isto é, quando o gene produz um fe- nótipo correspondente sempre que estiver presente em condições de se expressar, ou pode ser incompleta, quando apenas uma parte dos indivíduos com o dado genótipo expressa o fenótipo correspondente. Não podemos quantificar a penetrância de uma característica de apenas uma família ou até mesmo um dado traço envolvendo diversas famílias. Embora a análise possa reve- lar a presença de uma penetrância incompleta ou até de algumas, não podemos jamais inferir, a partir dessa análise reservada, que o mesmo evento ocorrerá na população como um todo. Por outro lado, a expressividade trata do modo de expressão de um dado alelo, po- dendo ser do tipo uniforme ou variável. O primeiro ocorre quando um alelo expressa sempre um único tipo de fenótipo e, portanto, é de fácil reconhecimento. O outro, quando a expressão do alelo resulta no surgimento de distintos padrões fenotípicos ou diferentes graus de expressão. Como você pode imaginar, neste último caso (expressão variável), o geneticista en- frenta certos graus de dificuldade na análise pois, à primeira vista, pode parecer um caso envolvendo controle genético mais complexo (caracteres quantitativos). No entanto, a Natureza do alelo em questão, com sua variada expressão, é que de- termina certa característica. 8 9 Teste seu Conhecimento • Em termos de Genética de Populações, o que é penetrância? • Em termos de Genética de Populações, o que é expressividade? • Diferencie expressividade uniforme e variável. Ademais, é importante salientar que quando falamos em penetrância, temos de levar em conta que nem sempre um dado genótipo expressará o fenótipo correspondente. Nesse caso, estarão envolvidos com epistasia genética (genes epistáticos) ou talvez sofram o efeito do ambiente (epigenética). Assim, os termos penetrância e expressivi- dade quantificam as diferentes formas de apresentação da expressão gênica em função da variação ambiental e de fundo genético que vem sendo transmitido ao longo de uma Genealogia. Eles quantificam, respectivamente, a porcentagem de casos nos quais o gene é expresso e o nível de expressão. No entanto, uma análise de predição individual é dependente justamente dessas aná- lises de frequências da população. Devemos olhar para muitas famílias nas quais uma dada característica está segregando, e para isso são feitos os estudos de Genética de Populações. Genética de Populações é o estudo quantitativo da distribuição da variação genética nas populações e como as frequências de genes e de genótipos são mantidas ou mudam ao longo do tempo, tanto dentro de uma população quanto entre populações. Como visto nas Unidades anteriores, a maioria das pesquisas sobre genética concen- tra-se na estrutura dos genes nos cromossomos, na função dos genes e no processo de transmissão genética dos pais para os filhos. Por outro lado, a genética populacional examina a relação entre frequências genotí- picas em uma população, frequências alélicas em seu pool gênico (conjunto) e os fatores que podem alterar essas frequências ao longo do tempo. O conceito teórico de pool gênico diz respeito a todos os alelos em todos os indiví- duos de uma população. Teste seu Conhecimento • O que é epistasia genética (ou genes epistáticos)? • O que é a genética de populações? • O que é pool gênico? Os estudos nesse segmento permitiram entendimento maior do que seria “Equilíbrio genético” e possibilitaram o estabelecimento do chamado princípio de Hardy-Weinberg, que estabelece que quando as frequências alélicas no pool genético permanecem constantes por gerações, uma população está em equilíbrio genético. Um pool genético estará em equilíbrio nas seguintes condições: • Se a população é muito grande; • Se indivíduos da população acasalam aleatoriamente; 9 UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade • Se não há migração para dentro ou fora da população; • Se a seleção natural não atua em nenhum genótipo específico; • Se machos e fêmeas têm as mesmas frequências alélicas [vs. indivíduos são diploi- des e se reproduzem sexualmente; • Se não ocorrem mutações. Sabemos que toda a população é altamente diversificada, contudo, a base genética dessa di- versidade não é distribuída de forma uniforme. Os casos são muitos e podemos citar, por exem- plo, a maior frequência do traço falciforme em indivíduos com ascendência em algumas áreas do Norte da África e também do Mediterrâneo. Podemos falar da deficiência de glicose-6-fos- fato desidrogenase (G6PD) ligada ao cromossomo X em áreas como o Sul da Itália ou, ainda, podemos falar da presença de certos polimorfismos genéticos estar associada ao desempenho e às atividades físicas e conferir, talvez, maior resistência a corredores de origem etíope. Quanto mais aumentarmos nossos conhecimentos sobre as diferenças genéticas de um grupo, tanto mais será nossa capacidade em prever eventos de forma individual. Assim, as perspectivas quantitativas das variações ficam a cargo da genética populacional. Teste seu Conhecimento • O que é o Princípio de Hardy-Weinberg no contexto de equilíbrio genético? • Quando um pool gênico é considerado em equilíbrio? Lei de Hardy-Weinberg A Lei de Hardy-Weinberg é um modelo matemático que avalia o efeito da reprodução sobre as frequências genotípicas e alélicas de uma população. As frequências alélicas variam em espaço e tempo nos conjuntos gênicos das populações. Denomina-se frequência alélica (ou gênica) a proporção de cada alelo presente em determinado lócus em uma população e frequência genotípica à proporção dos genóti- pos resultantes da combinação desses alelos. Você deve se lembrar que nas Unidades anteriores tratamos de padrões mendelia- nos, certo? Lembre-se de que um cruzamento hipotético entre indivíduos heterozigotos (Aa) pos- sui as seguintes probabilidades em termos de produção de gametas: a probabilidade de um gameta portador do alelo A será de 1/2, e a probabilidade de a descendência herdar ambos os alelos de seus genitores (istoé, AA), se dá pelo produto das probabilidades individuais, ou seja: 1/2 x 1/2 = 1/4. Para explicar a relação entre as frequências alélicas e genotípicas de uma população, o Princípio de Hardy-Weinberg se aplica a genes individuais com dois alelos, um alelo dominante e um alelo recessivo. No modelo de Hardy-Weinberg, a relação matemática entre as frequências alélicas e as frequências genotípicas é dada por: AA: p2; Aa: 2pq; aa: q2 (Figura 1). 10 11 As frequências genotípicas de AA, Aa e aa na geração parental são escritas como P, Q e R, respectivamente, onde P + Q + R = 1. Esse resultado é consequência do fato de que o gene possui apenas dois alelos. Figura 1 – Quadrado de Punnett, mostrando o princípio de Hardy-Weinberg Fonte: Adaptada de SNUST et al., 2001 A frequência de um alelo é definida como o número total de cópias desse alelo na população dividido pelo número total de cópias de todos os alelos do gene. Podemos calcular as frequências dos alelos da população a partir dos números dos genótipos. Com dois alelos de um gene, existem seis tipos possíveis de cruzamentos (Tabela 1). Ao descobrirmos a frequência alélica de uma população, prever as proporções de cada genótipo se torna mais fácil. Mas para isso, temos de assumir que ocorreram meiose normal e fertilização ao acaso, concomitantemente. Tabela 1 – Demonstração do Princípio de Hardy-Weinberg Cruzamento Frequência de Cruzamento Frequência de Zigotos (descendentes) AA Aa aa AA x AA p2 1 0 0 AA x Aa 2PQ 1/2 1/2 0 AA x aa 2PR 0 1 0 Aa x Aa Q2 1/4 1/2 1/4 Aa x aa 2QR 0 1/2 1/2 aa x aa R2 0 0 1 Totais (proxima geração) P’ Q’ R’ Fonte: Adapatada de HARTL, 2010, p. 67 Para se aprofundar no tema frequência alélica. Disponível em: https://youtu.be/gPkFQLXfVCQ E veja mais aplicações da equação de Hardy-Weinberg também. Disponível em: https://youtu.be/Xqova_28vWo 11 UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade Você Sabia? O modelo de Hardy-Weinberg, cujo nome homenageia o matemático inglês G. H. Hardy (1877-1947) e o fisiologista alemão Wilhelm Weinberg (1862-1937), os quais, em 1908, formularam independentemente o modelo e deduziram as suas predições teóricas de frequência genotípica. Teste seu Conhecimento • O que é a Lei de Hardy-Weinberg? • Para alelos hipotéticos de um gene, quais as frequências dos genótipos AA, Aa e aa? Cálculo de frequências alélicas Podemos calcular as frequências dos alelos da população a partir dos números dos genótipos. O número total de alelos A dominantes em nossa população é igual a 600, que é a soma de: • O número de indivíduos AA vezes 2 (o número de alelos A por indivíduo) = 180 x 2 = 360; • O número de indivíduos Aa (vezes 1, o número de alelos A por indivíduo), portanto + 240, o que resultará em 600. O número total de todos os alelos do gene é igual a 1000, que é 2 vezes o número de indivíduos na população (vez que os indivíduos são diploides). Por definição, a frequência dos alelos A dominantes em nossa população é igual a 600/1000, ou 0,60. Podemos calcular o número total de alelos a na população e dividir pelo número total de alelos: (2x80 + 240) / 1000 = 400/1000 = 0,4 ou, como o total de todas as frequências de alelos é igual a 1,0 e como existem apenas dois alelos, A e a, podemos calcular a frequência do alelo subtraindo a frequência do alelo A de 1,0: 1,0 – 0,60 = 0,40 Teste seus conhecimentos Se 10% dos alelos forem R, qual é a probabilidade de dois alelos R se combinarem de modo a produzir gametas RR para a fertilização? Se sua resposta foi: 0,1 x 0,1 = 0,01, sua resposta está correta! Agora, imagine que, em crianças, uma dada condição recessiva aparece em uma a cada 2.500 nascidos vivos (isso nos dá uma frequência de 0,0004 na população, isto é: 1/ 2.500 = 0,0004, que é o valor que corresponde a q2. Assim, você poderá deduzir que o valor para q será 0,02 e poderá obter o valor de p da seguinte maneira: p= 1- 0,02= 0,98). 12 13 Assista ao documentário Quatro Heranças – Genética Médica Populacional. O documen- tário descreve o estudo de 4 características genéticas muito curiosas no Brasil, a partir dos trabalhos do INaGeMP, Instituto Nacional de Genética Médica Populacional. Aproveite para construir um Mapa Mental e estabeleça uma relação entre as 4 distintas condições genéti- cas apresentadas no Documentário, bem como suas formas de herança. Disponível em: https://bit.ly/3A1XKOQ Teste seu Conhecimento Suponha que um alelo recessivo “a” ocorra com uma frequência de 0,8 em certa população em equilíbrio de Hardy-Weinberg. Descreva a frequência do alelo “A”, a frequência de in- divíduos homozigotos dominantes (AA), homozigotos recessivos (aa) e heterozigotos (Aa). Genética e o ambiente Trocando Idéias ... Você já parou para pensar o porquê de gêmeos idênticos possuírem o mesmo DNA e de, muitas vezes, expressarem-se de forma tão distinta? É sobre essas e muitas outras questões que o meio ambiente deve ser levado em conta quando o assunto é Genética. Daí surge um ramo da Genética totalmente dedicado a essas questões, chamado de Epigenéticas. Gêmeos idênticos se originam de um mesmo DNA. Contudo, imagine que um deles possa apresentar problemas cardíacos aos 50 anos, enquanto o outro esteja completando com sucesso mais uma prova de maratona com perfeita saúde. Não é uma mera questão de “Natureza versus criação” e essa complexidade pode ser explicada por meio de estudos que buscam compreender como o nosso material genético interage com as muitas moléculas encontradas no interior da célula e que são capazes de ativar ou desativar certos genes. Sabemos que nossas moléculas não fazem escolhas conscientes. Na verdade, a con- centração delas e a interação entre elas é responsável pelo desencadeamento dos cami- nhos que compõem os Sistemas Biológicos. A forma mais comum de se interferir na expressão gênica (isto é, o processo da transcri- ção da informação de um gene e a tradução em uma proteína funcional) é a possibilidade de realizar uma certa “marcação” no DNA. Praticamente, estamos falando na adição de “etiquetas químicas” que marcam de- terminadas regiões do genoma e são capazes de regular a ativação ou a inativação da expressão gênica. 13 UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade O conjunto de todas essas etiquetas encontradas em nosso genoma é chamado de epigenoma. Teste seu Conhecimento • O que são marcas epigenéticas? • O que é epigenoma? Algumas dessas etiquetas, como é o caso do grupo metila, são capazes de inibir a expressão do gene, basicamente, pela capacidade de desalinhar a maquinaria usada na transcrição do gene. Esse grupo metila também é capaz de enrolar mais firmemente o DNA às moléculas de histonas, tornando inacessível a ligação da RNA-polimerase (responsável pela trans- crição) em um dado segmento de gene. Nesse caso, a informação gênica continua ali, mas dizemos que ela foi silenciada. O contrário desse mecanismo é justamente o que reforça a transcrição, algumas “etique- tas” afrouxam o DNA, tornando-o mais acessível e, portanto, facilitando a transcrição de sua informação. Invariavelmente, essa ação levará ao aumento da proteína associada àquela informa- ção gênica. As regiões do nosso genoma em que naturalmente não existem genes ativos (regiões de heterocromatina) são altamente compactadas e metiladas. Você Sabia? O processo de “compensação de dose” consiste na inativação de cerca de 85% dos genes de um dos cromossomos X femininos, e se dá pela compactação e metilação do DNA. Lembre-se de que esse cromossomo X inativado pode ser facilmente identificado em uma célula interfásica da mulher, por meio de microscopia de luz. Chamamos essa re- gião fortemente corada no núcleo das células femininas de Corpúsculo de Barr. Do ponto de vista molecular, a metilação é a adição de um radical metil (CH3) no carbono 5 da citosina, a qual é sucedida pela guanina. Uma vez metilada, a citosina passa a se denominar5-metilcitosina (Figura 2). A enzima DNA-metil-transferase (DNMTs) é responsável por essa adição, sendo que existem três conhecidos tipos dessa enzima, a saber: DNMT3A, DNMT3B e DNMT1. Esta última é responsável pela manutenção da metilação, enquanto as duas primeiras são as agentes responsáveis diretamente pela metilação. Essa manutenção pela DNMT1 se faz necessária pois, ao longo de sucessivas etapas de replicação do DNA, certas metilações podem ser apagadas, isto é, desmetiladas, em- bora a desmetilação também possa ocorrer por meio de uma reação enzimática. 14 15 Figura 2 Metilação de citosina, modificando o carbono 5 do anel aromático da base nitrogena- da através da ação de enzimas DNAmetiltransferases (DNMT3A e DNMT3B), transfor- mando citosina em 5-metilcitosina. A seguir, vemos o controle da expressão gênica por ação desse tipo de metilação em regiões promotoras de genes, impedindo que fatores de transcrição e a RNA-polimerase possa ancorar de maneira adequada ao DNA, silen- ciando, assim, a expressão gênica. Fonte: Adaptada de VIEIRA, 2017 Teste seu Conhecimento • O que acontece quando a região promotora de um gene é metilada? • Como ocorre a metilação? • O que são as enzimas DNA-metil-transferases? As mudanças epigenéticas estão presentes também no desenvolvimento humano. As células de um embrião possuem uma espécie de “genoma-mestre”. Ao longo dos processos de divisão e de proliferação celular, certos genes são ativados e outros são silenciados. Esse tipo de reprogramação epigenética garante que certas células se especializem nos mais variados tipos celulares que formarão os diferentes órgãos e tecidos do corpo. Como sabemos, o corpo humano tem cerca de 200 tipos celulares especializados. Todas essas células têm essencialmente o mesmo genoma. Contudo, apresentam dife- rentes epigenomas. 15 UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade Você Sabia? As mudanças epigenéticas não são perdidas durante a divisão celular. Isso implica que elas podem afetar o organismo por toda a vida de um indivíduo, como também influen- ciar na formação dos gametas. Além do comentado acima, o epigenoma é responsável pela relação entre os genes e o ambiente, isto é, as etiquetas que marcam nosso DNA podem sofrer influencias do nosso estilo de vida, da dieta, das emoções, da exposição a substâncias químicas e de medica- ções (Figura 3). As alterações epigenéticas podem, por exemplo, promover o desligamento de um gene supressor de tumor, influindo na carcinogênese. Essas alterações epigenéticas induzidas pelo ambiente explicam, em parte, o motivo pelo qual gêmeos geneticamente idênticos podem se desenvolver com significativas dife- renças. Tanto mais o tempo passa, mais podem divergir em seus epigenomas. Figura 3 – O que os genes não podem dizer: o papel da epigenética na determinação de quem somos Fonte: harvard.edu Você Sabia? As experiências socias podem levar a alterações epigenéticas. Um famoso experimento utilizando animais em Laboratório revelou que os filhotes que não receberam atenção das mães durante o seu desenvolvimento possuíam os genes de controle de estresse metilados (isto é, silenciados), portanto, não expressavam. Essa alteração pode não es- tar restrita apenas à essa geração, isto é, embora a maioria das marcas epigenéticas se- jam apagadas do DNA durante a formação dos gametas, estudos recentes têm mostrado que algumas são capazes de se perpetuar, portanto, passando de geração em geração. Assim, é possível acreditar que as experiências de infância de sua mãe ou do seu pai ou, ainda, as escolhas deles quando adultos, podem, de alguma forma, moldar o seu próprio epigenoma. O estudo citado se chama “Programação epigenética pelo comportamento materno” e foi publicado originalmente em inglês por um grupo canadense em uma revista de alto impacto científico (Nature Neuroscience). Disponível em: https://bit.ly/3vU94JH 16 17 Você pode aprender mais no artigo “Epigenética, Cuidados Maternais e Vulnerabilidade ao Estresse: conceitos básicos e aplicabilidade ”, disponível em: https://bit.ly/3dbRpqf Teste seu Conhecimento • O que é reprogramação epigenética? • Imagine que você foi convidado a falar sobre Genética para um grupo cívico em uma ação comunitária de saúde em sua cidade. Em um dado momento, dois irmãos gême- os monozigóticos (DNA idêntico), aparentando estarem entre a 5º e 6ª década de vida, perguntam a você o porquê de serem tão parecidos no nascimento e, atualmente, apresentarem significativas diferenças físicas. Como você explicaria isso a eles? Alterações metabólicas paternas relacionadas à obesidade podem resultar em modi- ficações na informação genética contida em seus gametas. A metilação do DNA em regiões promotoras específicas, frequentemente evita a trans- crição genética ao inativar o gene em questão. Quanto às modificações das histonas, a hipermetilação (dependendo da histona e do aminoácido) favorece a condensação da cromatina, dificultando o acesso às proteínas reguladoras que promovem a transcrição. No entanto, as histonas não metiladas garantem a cromatina descondensada, apoian- do a transcrição do gene. Em contraste, a acetilação de histonas abre a cromatina, per- mitindo o acoplamento da maquinaria transcricional (Figura 4). Acetilação DesacetilaçãoDesmetilação Fatores de transcrição se ligam ao promotor metilado Fatores de transcrição não se ligam ao promotor metilado Espermatozoides portadores de informação epigenética paternaOócito RNA polimerase DNADNA CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 RNA polimerase Metilação Metilação do DNA Gene inativo Gene ativo Metilação e desmetilação da histona Transcrição inativada Acetilação e desacetilação da histona Transcrição ativa Transcrição Inativada Transcrição Ativada Expressão de gene ativado Expressão de gene bloqueado Modi�cação da epigenética paterna Figura 4 – Atuação do epigenoma paterno sobre a obesidade da sua prole Fonte: Adaptada de ORNELLAS et al ., 2017 17 UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade Hoje, sabemos que, embora muito resistentes, algumas marcações epigenéticas não são permanentes. Um estilo de vida mais equilibrado, saudável e a abstenção de agentes contaminantes podem garantir um epigenoma saudável em longo prazo. Atualmente, muitos estudos epigenéticos estão tentando desvendar o chamado “enve- lhecimento saudável”, bem como os mecanismos epigenéticos por trás do câncer, doenças cardiovasculares, doenças comportamentais e até o abuso de drogas. Nesse sentido, as ferramentas de manipulação do genoma descobertas até aqui e as novas técnicas de edição gênica da atualidade, têm facilitado a compreensão dos mecanis- mos epigenéticos. Veja essa animação resumida sobre o curioso fato de como a epigenética garante uma memória celular capaz de ser transmitida dos pais para os filhos. Aproveite para rever os conceitos aprendidos até aqui e construa um mapa mental explicativo usando como base as sequências apresentadas na animação. Disponível em: https://youtu.be/vfFpudk6Kks Teste seu Conhecimento 1. Como funciona a influência do epigenoma paterno na prole? 2. Diferencie metilação de acetilação. Aplicações Atuais em Genética Humana e Engenharia Genética A terapia gênica é uma técnica experimental que utiliza genes para tratar ou prevenir doenças. Para tanto, está fundamentada em técnicas atuais em Biotecnologia e Engenha- ria Genética. No futuro, a terapia gênica poderá permitir que os médicos tratem um distúrbio in- serindo um gene nas células do paciente, em vez de abordagens farmacológicas ou até intervenções cirúrgicas. Os pesquisadores estão testando várias abordagens para a terapia gênica, incluindo: • Substituição de um gene mutado, causador de doença, por uma cópia saudável do gene; • Inativação, ou “nocautear”, um gene mutado que está funcionando incorretamente; • Introdução de um novo gene no corpo para ajudar a combateruma doença. Na década de 1970, a Terapia Gênica surgiu como uma opção promissora de tra- tamento para várias doenças (incluindo doenças hereditárias, alguns tipos de câncer e certas infecções virais). 18 19 A Terapia Gênica é projetada para introduzir material genético nas células a fim de compensar genes anormais ou produzir uma proteína benéfica para o indivíduo. Se um gene mutado causar falha ou falta de uma proteína necessária, a Terapia Ge- nética poderá introduzir uma cópia normal do gene para restaurar a função da proteína. Em geral, um gene que é inserido diretamente em uma célula não funciona. Em vez dis- so, é necessário a utilização de uma molécula ou sistema transportador (vetor) para fazer a entrega correta do material genético à célula. Para isso, podemos usar vetores do tipo não viral (como, por exemplo, os plasmídeos) ou vetores virais, os quais utilizam a estrutura de certos tipos de vírus, os quais são geneticamente modificados para entregar o gene. Certos vírus são frequentemente usados como vetores, porque podem entregar o novo gene infectando a célula. Os vírus são modificados para não causar doenças quando usa- dos em pessoas. Alguns tipos de vírus, como os retrovírus, integram seu material genético (incluindo o novo gene) em um cromossomo na célula humana. Outros vírus, como os adenovírus, introduzem seu DNA no núcleo da célula, mas o DNA não é integrado a um cromossomo. Os benefícios da utilização de um tipo de vetor em relação a outro tem de ser discutido levando em conta uma série de questões sobre a doença ou condição a que se proporá o tratamento. O vetor pode ser injetado ou administrado por via Intravenosa (IV) diretamente em um tecido específico do corpo, onde é absorvido por células individuais. Essa abordagem é chamada de terapia in vivo. Alternativamente, uma amostra das células do paciente pode ser removida e exposta ao vetor em um ambiente de Labora- tório (Figura 5). As células que contém o vetor e, portanto, foram modificadas externamente ao pa- ciente, são, então, devolvidas ao paciente no que é chamado de terapia ex vivo. Se o tratamento for bem sucedido, o novo gene entregue pelo vetor expressará uma proteína funcional. Sequencia codi�cante de proteína (cDNA) A Região promotora “Gene” humano funcional ou D B DNA viral “Gene” humano funcional DNA viral E Ex-vivo In-vivo C In-vivo Paciente Figura 5 – Duas estratégias principais usadas na Terapia Gênica para um paciente Fonte: Adaptada de THOMPSON, 2008 19 UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade Na Figura anterior, podemos ver que, nos casos de doenças monogênicas, isto é, doenças causadas pela alteração em um único gene, a estratégia mais comum é construir um vetor viral (B e C) contendo cDNA humano do gene de interesse (A) e introduzi-lo diretamente no paciente doente (in vivo) ou em células dele cultivadas em meio de cultura (E) e, na sequência, devolvê-las a ele (ex vivo). A depender dos propósitos de uma Terapia Gênica, como, por exemplo, desejando-se que a expressão do cDNA se dê de forma transiente (não contínua), pode-se optar pelo uso de vetores não virais, tais como os plasmídeos (D). Alguns aspectos do gene humano funcional (A) usado nos diferentes tipos de estratégia que têm elementos reguladores são decisivos: é preciso que o gene tenha seu mecanismo de expressão totalmente compreendido (quanto e em que momento ele se expressa), bem como se possui a especificidade do tecido que se pretende alvejar com a estratégia (por isso o uso de promotores ou reguladores gênicos específicos (A). Assista ao vídeo disponível no link a seguir, que trata dos últimos avanços da Terapia Gênica para hemofilia. Preste atenção aos diferentes tipos de vetores virais que estão sendo testados. Disponível em: https://youtu.be/JPMcZDFpr74 Elabore um Mapa Mental do desenvolvimento da Terapia Gênica para diferentes tipos de doença, incluindo a seguinte questão: Por que testamos diferentes tipos de vetores virais para as doenças? Teste seu Conhecimento • O que propõe a terapia gênica? • Como funciona uma terapia gênica? • Diferencie terapia gênica ex vivo de in vivo; • Quais são os tipos de vetores usados na Terapia Gênica? Algumas doenças monogênicas, como, por exemplo, as Doenças de Acúmulo Li- sossomal, que configuram uma parte das doenças consideradas Erros Inatos do Meta- bolismo e, que, em geral, consistem em um defeito genético que inviabiliza a expressão de uma dada enzima metabólica importante, são amplamente tratadas, na atualidade, com o uso de proteínas recombinantes. Nesse sentido, a terapia gênica propõe uma expressão proteica que seja própria do indivíduo e com maior durabilidade. Os pesquisadores devem superar muitos desafios técnicos antes que a Terapia Gênica seja uma abordagem prática para o tratamento de doenças. Por exemplo, os cientistas devem encontrar maneiras melhores de entregar genes e direcioná-los a células específicas. Eles também devem garantir que novos genes sejam precisamente controlados pelo organismo. Veja no link a seguir, uma pesquisa realizada na Universidade de São Paulo, utilizando animais de pequeno porte e que propõe reduzir os tamanhos de tumores sólidos e sua progressão. Disponível em: https://youtu.be/GMKmZmWpmv8 20 21 Além das doenças monogênicas, a Terapia Gênica possui outras modalidades de aplicação. As Ciências da Saúde na modernidade têm buscado compreender e tratar uma série de doenças, muitas delas de alta complexidade, as quais não se conhece as causas pri- márias e, portanto, seguem com tratamentos apenas paliativos. Para alguns casos, seria possível o desenvolvimento de uma Terapia Genética, com a finalidade de reduzir ou evitar a progressão da doença. Essas abordagens dependem do bom conhecimento de certos determinantes genéti- cos associados à suscetibilidade ou à gravidade, na possibilidade de alterar mecanismos vitais da fisiologia das diferentes células, órgãos e tecidos alterados pelas doenças. Em geral, as principais estratégias na Terapia Gênica têm sido: aumentar a resistência das células, estimular os Sistemas de Reparo e Regeneração, e até reconstituir caracte- rísticas funcionais perdidas. Boa parte disso não necessita de alteração direta de um dado gene envolvido nas doenças, mas, sim, a modulação de certos outros genes talvez não associados direta- mente à doença. Nos casos das terapias direcionadas a cânceres, o objetivo principal é identificar as células alteradas e induzi-las seletivamente à morte e impedir a proliferação. Também há uma terceira modalidade de Terapia Gênica que trata das vacinas de DNA. O objetivo dessa intervenção consiste em fazer com que o paciente expresse di- retamente o gene da proteína específica do agente agressor, estimulando o próprio Sistema Imunológico. Dessa forma, não se faz necessária a inoculação de proteínas inativadas ou micror- ganismos atenuados na promoção da imunidade do indivíduo como o fazem as vacinas convencionais de primeira e segunda classe. Podem tanto servir de forma preventiva, como no caso das vacinas clássicas, quanto na forma de terapias induzindo o Sistema Imunológico ao ataque seletivo de certos agentes agressores. Veja, a seguir, o esquema das principais modalidades de Terapia Gênica e alguns exemplos de doenças: Figura 6 – Terapia gênica e suas principais modalidades Fonte: Adaptada de LINDEN, 2010 21 UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade Aproveite para se aprofundar mais no tema por meio do Capítulo 13 “Tratamento de Do- enças Genéticas” do livro de THOMPSON J.; THOMPSON, M. Genética médica. 7.ed. Local: Guanabara, 2008. Fique atento para as secções de terapia gênica. Teste seu Conhecimento • Quais são as principais modalidades de Terapia Gênica? • Dê outros exemplos de doenças que poderiam ser alvo da Terapia Gênica, consideran- do cada uma das modalidades apresentadas na Figura 6; • Explique o fato dea Terapia Gênica poder funcionar tanto como uma terapia de fato, di- recionada à correção ou tratamento de doenças, quanto atuar na prevenção de doenças. Existem algumas questões éticas em torno da Terapia Genética. Como essa terapia en- volve fazer alterações no conjunto de instruções básicas do corpo, ela levanta muitas preo- cupações éticas particulares, que incluem: • Como distinguir os usos “bom” e “ruim” da Terapia Genética? • Quem decide quais características são normais e quais constituem deficiência ou distúrbio? • Os altos custos da Terapia Genética a disponibilizarão apenas para os ricos? • O amplo uso da Terapia Gênica poderia fazer com que a Sociedade aceitasse me- nos as pessoas diferentes? • As pessoas devem poder usar a Terapia Gênica para aprimorar traços humanos básicos, como altura, inteligência ou capacidade atlética? Trocando Ideias... Prepare um Mapa Mental acerca das questões éticas envolvendo Terapia Gênica e Enge- nharia Genética. Aproveite para recordar de tópicos aprendidos em outras Disciplinas, como Biotecnologia aplicada à Biomedicina e Ética e Deontologia. Prepare-se para dis- cutir com os colegas aquilo que você elaborou. Todos os anos, os cientistas se juntam para debater tais questões e, como você pode ver, todas as questões estão relacionadas ao avanço tecnológico, de modo geral. Teste seu Conhecimento • Qual a importância das discussões éticas quando o assunto são novas ferramentas para Terapias? • Elabore os riscos de novas terapias, como a Terapia Genética e meios de mitigação para cada uma delas. 22 23 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Vídeos O que acontece quando o seu DNA é danificado? https://youtu.be/vP8-5Bhd2ag Os segredos do cromossomo X https://youtu.be/veB31XmUQm8 Determinação do sexo em diferentes animais https://youtu.be/kMWxuF9YW38 A história entrelaçada do DNA https://youtu.be/0_b80fHmuWw Como uma mutação gênica simples pode mudar a forma das células https://youtu.be/hRnrIpUMyZQ Causa da Síndrome de Down https://youtu.be/j61u5nMqysE TEDxLisboa – Miguel Seabra – “Terapia génica: substituir genes que não funcionam” https://youtu.be/2wYJ-zw4HfQ Leitura Pais obesos levam a metabolismo alterado e obesidade em seus filhos na idade adulta: revisão de estudos experimentais e humanos https://bit.ly/3dluDg2 Admirável Mundo Novo: A epigenética https://bit.ly/3vREd0o 23 UNIDADE Genética de Populações, Diversidade e Aplicações na Atualidade Referências ALBERTS, B. Biologia Molecular da célula. 6.ed. Porto Alegre: ArtMed, 2017. BORGES-OSÓRIO, R.; ROBINSON, W. M. Genética Humana. 3.ed. São Paulo: Artmed, 2013. BROWN, T. A. Genética: um enfoque molecular. 3.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999. COOPER, G. M. A célula: uma abordagem multidisciplinar. 2.ed. Porto Alegre: Artes Médicas, 2001. HARTL, D. L. Princípios de genética de populações. 4.ed. Porto Alegre: Artmed, 2010. JORDE. L. B. et al. Genética Médica. 5.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999. LINDEN, R. Terapia gênica: o que é, o que não é e o que será. Estudos Avança- dos, São Paulo, v. 24, n. 70, p. 31-69. Disponível em: <https://doi.org/10.1590/ S0103-40142010000300004>. Acesso em: 24/07/2021. ORNELLAS, F. et al. Pais obesos levam a metabolismo alterado e obesidade em seus filhos na idade adulta: revisão de estudos experimentais e humanos. J. Pediatr., Rio de Janeiro, v. 93, n. 6: p. 551-559, dez. 2017. Disponível em: <https://www.scielo. br/j/jped/a/GLhYb8ft8YZHyg8c8Hn3LDb/?lang=pt>. OTTO, P. G.; OTTO, P. A.; PESSOA, O. F. Genética humana e clínica. 2.ed. São Paulo: Roca, 2004. SNUSTAD, P.; SIMMONS, M. J. Fundamentos de Genética. 7.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. THOMPSON J.; THOMPSON M. Genética médica. 8.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2016. VOGEL, F.; MOTULSKY, A. G. Genética Humana problemas e abordagens. 3.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. WATSON, J. D. et al. Biologia Molecular do Gene. 7.ed. Porto Alegre: Artmed, 2015. ZAHA, A. et al. Biologia Molecular Básica. 5.ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. 24